Диссертация (1090422), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Тем не менее, хоть и являясь твердой, такая вода обладает достаточнобольшой подвижностью.Помимо этого, Габуда приводит доказательство сильного взаимодействия"вода – поверхность силиката" с образованием множества водородных связей.Здесь можно рассмотреть явление уменьшения вязкости, прилипающего к бурураствора. Так, фторирование позволяет существенно уменьшить эту вязкость путем замещения поверхностных ОН-групп на фтор.
Уменьшение вязкости достигается за счет гидрофобизации поверхности.Явление увеличения прочности на отрыв можно наблюдать на примере закрепления оптических деталей с помощью действия сил капиллярного натяженияжидкости для их дальнейшей обработки [40]. В этом случае установочный элемент выполняют из пористого материала и пропитывают жидкостью с высокимкоэффициентом поверхностного натяжения, малой вязкостью и низким давлениемпара.
При совмещении поверхности заготовок с поверхностью установочногоприспособления жидкость, находящаяся в порах поверхностного слоя, создает си-32лы капиллярного натяжения, которые направлены по нормали к плоскости соединения и прочно удерживают деталь. В тангенциальном направлении такие силымалы, поэтому для предотвращения смещения заготовок используют опорную инаправляющую базы.Наличие воды в межконтактном пространстве ОК подтверждается и в другихисследованиях.
Например, в работе [41] приведены результаты исследования физико-химического механизма контактного взаимодействия высокоточных оптическихповерхностейстекласприменениемметодакинетическоймасс-спектроскопии.Разрушение ОК проводилось непосредственно в вакуумной камере времяпролетного масс-спектрометра. При разрушении контакта регистрировали выделяющиеся из зоны взаимодействия летучие продукты, их состав, количество и кинетику образования. Для экспериментов были выбраны оптическое стекло К8 икварцевое стекло КУ-1.В ходе проведенных исследований было установлено, что при разрушенииОК с контактируемых поверхностей десорбируются, в основном, молекулы воды.Прочие летучие компоненты, такие как СО, СО2, О2, N2, в сумме составляют величину, сравнимую с чувствительностью масс-спектрометра (2·1012 мол/с·мм).Аналогичные исследования, направленные на определение адсорбированныхна поверхности веществ, были проведены в рамках работы [42].
Здесь существенно расширен список исследуемых материалов. В результате экспериментов авторами установлено, что независимо от материала образцов (стекло К8, кварцевоестекло КУ-1, алюмоиттриевый гранат, оптическая керамика КО1) при разрушенииОК на контактируемых поверхностях десорбируются молекулы воды. Поверхностная концентрация воды составляет для К8 – 1·1014 см-2, для КУ-1 – 2·1013 см-2,для КО1 и граната – ≈1014 см-2. Полученные значения коррелируют с литературными данными по количеству ОН-групп на поверхности этих материалов.Учитывая наличие относительно большого количества воды в ОК, авторамисделан вывод об определяющей роли водородных связей в физической природе33прочности ОК.
На сегодняшний день теория соединения поверхностей через водородные связи (для гидрофильным поверхностей) является преобладающей.В 2005 году также проводились исследования по определению веществ, выделяющихся при разрыве ОК [43]. При изучении прочности разрыва пар цилиндрических образцов, изготовленных из неорганического стекла, исследователивыяснили, что прочность подобного соединения линейно связана с количествомводы, выделившимся из области контакта при разрыве. При разрушении ОК выделяются только молекулы воды в количестве 1013 - 1015 шт/см2. Таким образом,по мнению авторов, высокая прочность ОК определяется количеством молекулводы, адсорбированных на контактных поверхностях, или соответствующим числом водородных связей.Справедливости ради необходимо рассмотреть и другие возможные способыосуществления взаимодействия.
В работах [29], [44] приводятся результаты исследования электроадгезионных явлений, возникающих при контактном взаимодействии полированных высокоточных стеклянных поверхностей.Для экспериментов использовались образцы в виде пластин из оптическихстекол марок К8, БК10 и кварцевого стекла КИ. На поверхности пластин, противоположные контактным, были нанесены металлические токопроводящие пленки,предназначенные для съема сигнала. Эти пленки при оптическом контакте образуют статический конденсатор.Исследования показали, что при разрушении соединения на контактирующихповерхностях возникает электризация.
Было установлено, что электростатическаясоставляющая силы поверхностного взаимодействия крайне мала (≈ 5·10 -5 Н приконтактной площади 1,2 - 2,0 см2). Следовательно, электроадгезионные силы вносят лишь незначительный вклад в величину прочности ОК и, таким образом, немогут служить причиной соединения полированных поверхностей в случае ОК.Что касается соединения поверхностей посредством водородных связей, тоодной из немногих работ, отрицающей положительное влияние поверхностныхводных пленок, является работа американских исследователей, проведенная еще в1966 году [45]. Отметим, что здесь авторы подразумевают влияние прослойки во-34ды, как если бы она была толщиной 1000 Å, фактически рассматривая действиекапиллярных сил. При этом авторы аргументировали свое предположение тем,что раз соединение удалось создать в вакууме, где такой водной прослойки бытьне может, то вода не участвует в образовании соединения.Действительно, ОК может происходить и без участия молекул, способныхобразовывать водородные связи, как это наблюдается в случае соединения гидрофобных поверхностей.
Такое взаимодействие определяется наличием ван-дерваальсовых связей между молекулами, принадлежащими противоположным соединяемым поверхностям, но будет заметно слабее взаимодействия гидрофильных поверхностей, в котором участвуют только несколько поверхностных монослоев воды, а взаимодействие осуществляется через водородные связи [25, 46, 47,48]. Более подробно мы рассмотрим проблему соединения гидрофобных и гидрофильных поверхностей оптических деталей методом ОК в разделе 1.8 настоящейработы.Необходимо также рассмотреть работу Качкина [49], который приводит иобобщает накопленные знания про ОК и пытается определить причину возникновения соединения.По мнению Качкина, основными взаимодействующими силами являются силы Ван-дер-Ваальса, величина которых обратно пропорциональна 7-й степенирасстояния между центрами молекул.
Тем не менее, проанализировав имеющиесяданные, Качкин приходит к выводу, что в случае ОК "клеящим" веществом являются молекулы воды, осевшие на контактируемые поверхности. Кроме того, Качкиным делается предположение, что на величину прочности ОК влияет такжестепень гидрофильности материалов. Чем выше гидрофильность, тем большепрочность ОК. Соединение ОК гидрофобных материалов или невозможно, илипроисходит с большим усилием.Анализируя приведенные литературные данные, становится очевидным присутствие водной прослойки между контактирующими поверхностями, и ее огромная роль в образовании ОК.
Это справедливо, по крайней мере, в случае стекол иситаллов, не подвергшихся дополнительно обработке. Поэтому далее логично35рассмотреть взаимодействие молекул воды с поверхностью, водородную связь,которую может образовывать вода и некоторые другие водородосодержащие соединения, и собственно состояние контактирующих поверхностей в момент непосредственного контакта. Также будет рассмотрено влияние степени гидрофильности поверхности на качество соединения и факторы, влияющие на состояние поверхности.1.5. Взаимодействие воды с поверхностью и водородная связьКак было упомянуто выше, вода играет ключевую роль в ОК. Но взаимодействие воды с поверхностью разных материалов может носить различный характер.Молекула воды состоит из двух атомов водорода и атома кислорода, связанных двумя ковалентными полярными связями.
Такая молекула имеет форму равнобедренного треугольника со стороной 0,96 Å и основанием 1,54 Å (рис. 1.1)[50]. Ван-дер-ваальсовый радиус молекулы составляет 1,45 Å [51].Рис. 11. Молекула воды [48].Несовпадение центров положительных и отрицательных зарядов объясняетвысокую полярность молекулы воды. Такие молекулы обычно соединяются между собой водородными связями с энергией 29 кДж/моль.
Причина возникновениятакой связи заключается в смещении единственного электрона водорода к сильноэлектроотрицательному атому кислорода. Водородные связи объединяют молекулы в ассоциаты.36Молекула воды является уникальной среди других малых молекул вследствие того, что образуемые ею при адсорбции водородные связи с другими адсорбированными на поверхности молекулами могут быть соизмеримы по прочностис взаимодействием "молекула-поверхность".В зависимости от природы материала адсорбция воды может носить диссоциативный и недиссоциативный характер. Даже при незначительной степени покрытия поверхности молекулами воды проявляется тенденция к образованию поверхностных ассоциатов из нескольких молекул посредством водородных связей.Различают несколько форм связи воды с материалами [52].1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
